CN110387268A - 用于流化床气化炉的排渣装置和排渣方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于流化床气化炉的排渣装置(2)，所述排渣装置(2)具有底渣入口(a)和底渣出口，所述排渣装置(2)被配置为对底渣(A)进行气化和冷却处理。本发明还提供了一种用于流化床气化炉的排渣方法。根据本发明的用于流化床气化炉的排渣装置和排渣方法，可以确保流化床气化炉排渣顺畅，减少安全隐患，节能降耗，降低底渣含碳量，提高冷煤气效率。
Description
技术领域
本发明涉及气化技术领域，尤其涉及一种用于流化床气化炉的排渣装置和方法。
背景技术
作为高效清洁的洁净煤技术，气化技术是将煤炭等固态一次能源转化为气态清洁二次能源的主要途径，该技术主要用于合成氨、合成甲醇、制氢、高炉还原炼铁等化工冶金行业、联合循环发电领域以及工业和民用燃气领域中。
按固体燃料的运动状态分类，现代气化工艺主要包括固定床气化法、气流床气化法和流化床气化法。流化床气化技术是最早工业化的气化工艺之一，其工艺为具有一定压力的气化剂从床层下部经过布风板吹入，将床上的碎煤托起，当气化剂上升时，煤粒呈悬浮状态运动，上下翻滚，与气化剂充分接触进行气化反应。此类技术中，包括传统的流化床气化技术和近年来发展起来的循环流化床气化技术。
目前，流化床气化技术已经实现了工业化应用，并取得很好的环境效益、经济效益和社会效益。但从现有的流化床气化炉的运行情况来看，存在如下问题：
(1)排渣系统的操作弹性较小，排渣过程中易于结渣，影响气化炉的长周期稳定运行；
(2)该排渣方式为机械方式排渣，一旦结渣，炉渣对热煤气的封堵作用被破坏，热煤气极易从排渣装置窜出，存在严重的安全隐患；
(3)系统的能耗和水耗较大，且未能充分回收热渣(温度大于900℃) 的显热；
(4)底渣含碳量高，尤其是对于反应活性较低的煤种，底渣含碳量≥15％。
发明内容
本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的缺陷，提供一种用于流化床气化炉的排渣装置和排渣方法。
本发明的目的还在于提供一种用于流化床气化炉的排渣装置和排渣方法，解决排渣过程中易于结渣的问题，确保流化床气化炉排渣顺畅，以减少安全隐患。
本发明的目的还在于提供一种用于流化床气化炉的排渣装置和排渣方法，其能够合理利用热渣的显热，达到节能降耗的目的。
本发明的目的还在于提供一种用于流化床气化炉的排渣装置和排渣方法，其能够降低底渣含碳量，提高冷煤气效率。
为达到上述目的或目的之一，本发明的技术解决方案如下：
一种用于流化床气化炉的排渣装置，所述排渣装置具有底渣入口和底渣出口，所述排渣装置被配置为对底渣进行气化和冷却处理。
根据本发明的一个优选实施例，所述排渣装置包括落渣管、冷却筒体和排渣管，其中所述底渣入口设置在落渣管上，用于与气化炉连接，所述落渣管的与底渣入口相反的一端与冷却筒体的一端连接，所述冷却筒体的另一端与排渣管连接，
其中所述冷却筒体具有大于落渣管的当量直径并且大于排渣管的当量直径，并且
所述排渣装置上设置有气化剂入口和冷却剂入口，分别用于向排渣装置内通入气化剂和冷却剂。
根据本发明的一个优选实施例，所述冷却筒体具有上渐开段、下渐缩段和介于上渐开段和下渐缩段之间的筒体段，其中筒体段的当量直径大于落渣管的当量直径并且大于排渣管的当量直径。
根据本发明的一个优选实施例，所述气化剂入口设置在落渣管上。
根据本发明的一个优选实施例，所述冷却剂入口设置在冷却筒体上，优选地，所述冷却剂入口设置在上渐开段或筒体段上。
根据本发明的一个优选实施例，所述排渣装置还包括密封气体入口，用于向排渣装置内通入密封气体。
根据本发明的一个优选实施例，所述密封气体入口包括设置在排渣管上的第一密封气体入口。
根据本发明的一个优选实施例，所述密封气体入口还包括设置在冷却筒体的下渐缩段上的第二密封气体入口。
根据本发明的一个优选实施例，所述排渣装置还包括返炉气体出口，所述返炉气体出口设置在冷却筒体上。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于流化床气化炉的排渣方法，所述排渣方法使用如前述实施例中任一项所述的用于流化床气化炉的排渣装置。
本发明提供的用于流化床气化炉的排渣装置和排渣方法，相比于现有技术，具有如下优点：(1)解决了排渣过程中易于结渣的问题，确保流化床气化炉排渣顺畅，减少安全隐患；(2)采用水和水蒸汽作为气化剂或冷却剂，水和水蒸汽与热渣直接接触换热，可有效降低热渣温度，水和水蒸汽可以来自煤气化系统的冷凝水，实现了煤气化系统的冷凝水的合理利用；(3)充分利用底渣的显热产生蒸汽或使蒸汽过热，提高系统效率；(4) 排渣管内的压力高于炉底压力有效防止气化剂被携带进入排渣管，避免了现有排渣方式易于结渣，以及煤气的窜气等问题，提高气化炉排渣系统的操作弹性，保证流化床气化炉长周期稳定运行；(5)蒸汽与底渣中的碳反应，在一定程度上降低了底渣的含碳量，提高系统碳转化率和冷煤气效率； (6)可以将热渣的温度降至100℃以下，从而可以取消冷渣机等设备，节约投资及运行维护成本。
附图说明
图1为一种用于流化床气化炉的排渣装置的总体示意图；
图2为根据本发明的实施例的用于流化床气化炉的排渣装置的总体示意图；以及
图3为根据本发明的另一个实施例的用于流化床气化炉的排渣装置的总体示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
为使流化床气化炉的炉渣顺利排出，设计人构造了一种用于流化床气化炉的排渣装置，如图1所示，在图1中，上部为气化炉，为简化附图，仅示出了气化炉的下部分，在气化炉的下方为排渣装置，排渣装置包括：排渣管、冷渣机和输送机，其中排渣管的一端与气化炉的出渣口连接，排渣管的另一端与冷渣机的入口通过阀门相通，冷渣机的出口面向或被导向输送机，输送机可以为输渣皮带的形式。在排渣管外设置有冷却装置，对经过排渣管的炉渣进行冷却，冷却介质可以为水。以这种方式，从气化炉的出渣口排出的热渣经排渣管间壁水冷冷却，再经冷渣机冷却，后经输渣皮带输送至渣仓。从排渣装置的运行情况来看，上述排渣方式还存在一些问题：
(1)排渣系统的操作弹性较小，排渣过程中易于结渣，影响气化炉的长周期稳定运行；
(2)该排渣方式为机械方式排渣，一旦结渣，炉渣对热煤气的封堵作用被破坏，热煤气极易从排渣装置窜出，存在严重的安全隐患；
(3)系统的能耗和水耗较大，且未能充分回收热渣(温度大于900℃) 的显热；
(4)底渣含碳量高，尤其是对于反应活性较低的煤种，底渣含碳量≥15％。
为此，设计人进一步提出了一种用于流化床气化炉的排渣装置和一种用于流化床气化炉的排渣方法。
图2为根据本发明的实施例的用于流化床气化炉的排渣装置的总体示意图，如图2所示，流化床气化系统包括流化床气化炉1和排渣装置2，排渣装置2位于气化炉1下方与气化炉1相接。排渣装置2具有底渣入口 a和底渣出口，所述排渣装置2被配置为对底渣A进行气化和冷却处理。具体地，排渣装置2包括依次相连接的落渣管21、冷却筒体22、排渣管 23和锁气装置24，其中所述底渣入口a设置在落渣管21上，用于与气化炉1连接，所述落渣管21的与底渣入口a相反的一端与冷却筒体22的一端连接，所述冷却筒体22的另一端与排渣管23连接。锁气装置24设置在排渣管23上，用来控制排渣的同时，阻止气体从排渣口逸出，在工作过程中，锁气装置24可以封住排渣管23的下端，锁住气体，避免气体泄露。
落渣管21、冷却筒体22、排渣管23可以为大致柱体形状，优选地为圆柱体、方柱体。落渣管21直径可以与气化炉的底渣出口的直径一致，冷却筒体22具有大于落渣管21的当量直径并且大于排渣管23的当量直径。这里，当量直径是指圆柱体的直径或与非圆柱体的水力半径相等的圆柱体的直径，因此，在非圆或非圆柱体的情况下，本文所提的直径均指当量直径。如图2所示，所述冷却筒体22具有上渐开段、下渐缩段和介于上渐开段和下渐缩段之间的筒体段，其中筒体段的当量直径大于落渣管21 的当量直径并且大于排渣管23的当量直径。
其中，在图2所示的实施例中，落渣管21的直径与气化炉的底渣出口的直径一致，但本发明并不限于此，所述落渣管的直径可以为气化炉的底渣出口的1-2倍，并且冷却筒体22的当量直径(即筒体段的当量直径) 可以为落渣管21的当量直径的1.5-5倍，优选地为3-4倍。此外，排渣管21的直径可以与落渣管21的直径相同或者大于落渣管21的直径，具体地，排渣管23的当量直径可以为落渣管21的当量直径的1-3倍，优选地为，1.2-2倍。落渣管21、冷却筒体22、排渣管23的结构尺寸为煤灰分含量、煤粒径及气化温度的函数，可以根据它们进行调整。
在图2的实施例中，由于气化煤种收到基灰分含量高，气化温度较低，底渣量大，从而设定冷却筒体22的截面积最大的截面处的当量直径为气化炉底渣出口或落渣管21的当量直径的4倍，以使底渣在冷却筒体内能充分冷却；排渣管23的当量直径为落渣管21的当量直径的2倍，以保证被降低至100℃以下的底渣可顺利排出排渣管。
所述排渣装置2上设置有气化剂入口b、冷却剂入口f、密封气体入口d和返炉气体出口e，气化剂入口b和冷却剂入口f分别用于向排渣装置2内通入气化剂B和冷却剂F，密封气体入口d用于向排渣装置2内通入密封气体D，返炉气体出口e用于排出排渣装置2内的气体，并将它们送回气化炉的炉膛。
如图2所示，所述气化剂入口b设置在落渣管21上，所述冷却剂入口f设置在冷却筒体22上。然而，气化剂入口b和冷却剂入口f并不限于所述位置，但是优选地，气化剂入口b设置在落渣管21上或者冷却筒体22的靠上位置，例如，设置在上渐开段上，以利于气化剂充分起作用。冷却剂入口f可以设置在上渐开段或筒体段上，以在底渣A下落的过程中对底渣A进行充分冷却。在图2所示的实施例中，冷却筒体22上设置有返炉气体出口e、冷却剂入口f和密封气体入口d。气化剂入口b和冷却剂入口f可以分别包括多个，优选地，多个气化剂入口b沿圆周方向均匀布置，并且多个冷却剂入口f沿圆周方向均匀布置。
优选地，气化剂入口b被构造为多排布置的多个气化剂入口b，并且任一排气化剂入口b中的气化剂入口b与相邻排的气化剂入口b中的气化剂入口b交错排列，并且冷却剂入口f被构造为多排布置的冷却剂入口f，并且任一排冷却剂入口f中的冷却剂入口f与相邻排的冷却剂入口f中的冷却剂入口f交错排列。
在图2的实施例中，所述密封气体入口d包括设置在排渣管23上的第一密封气体入口和设置在冷却筒体22的下渐缩段上的第二密封气体入口。需要说明的是，第二密封气体入口可以设置在其它位置，只要位于冷却剂入口f的下侧即可。所述第一密封气体入口和第二密封气体入口分别为多个，多个第一密封气体入口沿排渣管23的圆周方向均匀布置，并且多个第二密封气体入口沿冷却筒体22的下渐缩段的圆周方向均匀布置。密封气体入口d也可以被构造为沿圆周方向连续的入口环，以利于均匀吹入密封气体。
所述返炉气体出口e可以设置在冷却筒体22的上渐开段上，以利于返炉气体E的排出。
进一步地，锁气装置24可以被构造为阀门，在排渣时打开阀门。或者替代地，锁气装置24包括入口、第一腔室、第二腔室、中间腔室和出口，中间腔室介于第一腔室和第二腔室之间，入口设置在第一腔室上，出口设置在第二腔室上，在第一腔室和中间腔室之间设置第一阀门，在中间腔室和第二腔室之间设置第二阀门。在工作时，可以关闭第二阀门、然后打开第一阀门，这样排渣管23排出的底渣通过入口、第一腔室直接进入中间腔室，待中间腔室内的底渣积累到一定程度，关闭第一阀门、然后打开第二阀门，这样底渣可以进入第二腔室并可以从与第二腔室连通的出口排出，排空中间腔室的底渣后，再关闭第二阀门、然后打开第一阀门。以这种方式，可以避免煤气外泄。
具体地，气化剂可以为水或水蒸气，优选地，所述气化剂为气化炉系统余热锅炉产生的蒸汽以及其他工段提供的蒸汽，气化剂量和底渣量的质量比可以为0.02-0.3∶1。冷却剂可以为水或蒸汽，优选地，所述冷却剂为气化炉系统产生的冷凝水，冷却剂的给入量为底渣量、底渣含碳量、底渣温度以及气化剂温度、气化剂给入量的函数，优选地，冷却剂量和底渣量的质量比为0.05-0.8∶1。
密封气体可以为C02或氮气等惰性气体，优选地，所述密封气体为氮气。氮气量和底渣量的质量比为0.05-0.5∶1。
假设气化炉的底渣出口的压力为P0，气化剂入口的压力为P1，冷却剂入口的压力为P2，密封气体入口的压力为P3，那么P0＜P1＜P2＜P3≤50kPa。以这种方式，有利于实现从气化炉的底渣出口到落渣管到冷却筒体到排渣管的压力逐渐增大，有效防止气化剂被携带进入排渣管，避免煤气窜气。
下面结合附图2和具体应用对根据本发明的用于流化床气化炉的排渣装置的工作过程进行说明。首先，来自于气化炉1的900℃的底渣A从底渣入口a进入落渣管21，底渣量为500kg/h，向落渣管21内通入由气化炉系统产生的60kg/h的冷凝水与底渣中的碳发生气化反应，同时对底渣产生降温效应，生成600℃的含碳量较低的渣和还原性气体。生成的600℃的含碳量较低的渣进入冷却筒体22，向冷却筒体22内通入由余热锅炉产生的50kg/h的蒸汽使底渣温度降低至200℃，同时蒸汽被加热。80Nm3/kg 的氮气作为密封气体分别从排渣管23和冷却筒体22下部通入排渣装置中，起到密封的作用，防止煤气下窜，同时，将来自于冷却筒体22的200℃的底渣温度降低至80℃。被降低至80℃以下的底渣通过锁气装置24后离开系统。落渣管21中生成的还原性气体、冷却筒体22中被加热的蒸汽以及氮气气体作为返炉气体经返炉气体出口e离开排渣装置，并返回气化炉中部作为气化炉的气化剂参与反应。为保证排渣顺畅，保证冷凝水、水蒸气及N2能通入排渣装置，保证返炉气体能返回气化炉，系统压力分布如下：气化炉的底渣出口的压力为P0，冷凝水入口的压力为P1，水蒸气入口的压力为P2，N2入口的压力为P3，且P0＜P1＜P2＜P3≤50kPa。
图3为根据本发明的另一个实施例的用于流化床气化炉的排渣装置的总体示意图。该实施例与图2所示的实施例基本相同，下面仅描述与图2 所示的实施例的不同，它们的不同之处在于：仅在排渣管23上设置有密封气体入口d，在冷却筒体22上不设置密封气体入口d；冷却筒体22的截面积最大的截面处的当量直径为气化炉底渣出口或落渣管21的当量直径的3倍，排渣管23的当量直径为落渣管21的当量直径的2倍，这是针对气化煤种收到基灰分含量低、气化温度提高、底渣量减小而作出的设计。
下面结合附图3和具体应用对根据本发明的用于流化床气化炉的排渣装置的工作过程进行说明。首先，来自于气化炉1的1100℃的底渣A从底渣入口a进入落渣管21，底渣量为300kg/h，向落渣管21内通入30kg/h 的水蒸气与底渣中的碳发生气化反应，同时对底渣产生降温效应，生成 700℃的含碳量较低的渣和还原性气体。生成的700℃的含碳量较低的渣进入冷却筒体22，向冷却筒体22内通入40kg/h的冷却水使底渣温度降低至 200℃，同时冷却水被加热生成蒸汽。60Nm3/kg的CO2作为密封气体从排渣管23通入系统，起到密封的作用，防止煤气下窜，同时，将来自于冷却筒体22的200℃的底渣温度低至80℃。被降低至80℃以下的底渣通过锁气装置24后离开系统。落渣管21中生成的还原性气体、冷却筒体22 中生成的蒸汽以及密封气体(CO2)作为返炉气体经返炉气体出口e离开排渣装置，并返回气化炉中部作为气化炉的气化剂参与反应。为保证排渣顺畅，保证蒸汽、冷却水及密封气体(CO2)能通入排渣装置，保证返炉气体能返回气化炉，系统压力分布如下：气化炉的底渣出口的压力为P0，蒸汽入口的压力为P1，冷却水入口的压力为P2，CO2入口的压力为P3，且 P0＜P1＜P2＜P3≤50kPa。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于流化床气化炉的排渣方法，所述排渣方法使用如前述实施例中任一项所述的用于流化床气化炉的排渣装置。具体地，所述用于流化床气化炉的排渣方法可以包括如下步骤：
S1：向落渣管通入气化剂，使气化剂与来自于气化炉的1200℃-800℃的底渣中的碳发生反应，同时对底渣产生降温效应，生成800℃-600℃的含碳量较低的底渣和烟气；
S2：向冷却筒体通入冷却剂，使来自于落渣管的800℃-600℃的底渣的温度降低至300℃-200℃，同时加热冷却剂；
S3：向排渣管通入密封气体，在起到密封作用的同时，将来自于冷却筒体的300℃-200℃的底渣的温度降低至100℃以下；
S4：被降低至100℃以下的底渣经过锁气装置后离开系统；
S5：落渣管中气化剂和底渣反应生成的烟气及未完全反应的气化剂、冷却筒体中生成的气相冷却剂以及密封气体作为返炉气体经返炉气体出口离开排渣装置。
本发明提供的用于流化床气化炉的排渣装置和排渣方法，相比于现有技术，具有如下优点：(1)解决了排渣过程中易于结渣的问题，确保流化床气化炉排渣顺畅，减少安全隐患；(2)可以采用水和水蒸汽作为气化剂或冷却剂，水和水蒸汽可以来自煤气化系统的冷凝水，实现了煤气化系统的冷凝水的合理利用；(3)充分利用底渣的显热产生蒸汽或使蒸汽过热，提高系统效率；(4)排渣管内的压力高于炉底压力有效防止气化剂被携带进入排渣管，避免了现有排渣方式易于结渣，以及煤气的窜气等问题，提高气化炉排渣系统的操作弹性，保证流化床气化炉长周期稳定运行；(5) 蒸汽与底渣中的碳反应，在一定程度上降低了底渣的含碳量，提高系统碳转化率和冷煤气效率；(6)可以将热渣的温度降至100℃以下，从而可以取消冷渣机等设备，节约投资及运行维护成本。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。
附图标记列表：
1 气化炉
2 排渣装置
21 落渣管
22 冷却筒体
23 排渣管
24 锁气装置
A 底渣
B 气化剂
C 处理后炉渣
D 密封气体
E 返炉气体
F 冷却剂
a 底渣入口
b 气化剂入口
d 密封气体入口
e 返炉气体出口
f 冷却剂入口。
Claims (10)
1.一种用于流化床气化炉的排渣装置(2)，所述排渣装置(2)具有底渣入口(a)和底渣出口，其特征在于：所述排渣装置(2)被配置为对底渣(A)进行气化和冷却处理。
2.根据权利要求1所述的用于流化床气化炉的排渣装置(2)，其特征在于，所述排渣装置(2)包括落渣管(21)、冷却筒体(22)和排渣管(23)，其中所述底渣入口(a)设置在落渣管(21)上，用于与气化炉(1)连接，所述落渣管(21)的与底渣入口(a)相反的一端与冷却筒体(22)的一端连接，所述冷却筒体(22)的另一端与排渣管(23)连接，
其中所述冷却筒体(22)具有大于落渣管(21)的当量直径并且大于排渣管(23)的当量直径，并且
所述排渣装置(2)上设置有气化剂入口(b)和冷却剂入口(f)，分别用于向排渣装置(2)内通入气化剂(B)和冷却剂(F)。
3.根据权利要求2所述的用于流化床气化炉的排渣装置(2)，其特征在于，所述冷却筒体(22)具有上渐开段、下渐缩段和介于上渐开段和下渐缩段之间的筒体段，其中筒体段的当量直径大于落渣管(21)的当量直径并且大于排渣管(23)的当量直径。
4.根据权利要求2所述的用于流化床气化炉的排渣装置(2)，其特征在于，所述气化剂入口(b)设置在落渣管(21)上。
5.根据权利要求3所述的用于流化床气化炉的排渣装置(2)，其特征在于，所述冷却剂入口(f)设置在冷却筒体(22)上，优选地，所述冷却剂入口(f)设置在上渐开段或筒体段上。
6.根据权利要求2所述的用于流化床气化炉的排渣装置(2)，其特征在于，所述排渣装置(2)还包括密封气体入口(d)，用于向排渣装置(2)内通入密封气体(D)。
7.根据权利要求6所述的用于流化床气化炉的排渣装置(2)，其特征在于，所述密封气体入口(d)包括设置在排渣管(23)上的第一密封气体入口。
8.根据权利要求7所述的用于流化床气化炉的排渣装置(2)，其特征在于，所述密封气体入口(d)还包括设置在冷却筒体(22)的下渐缩段上的第二密封气体入口。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的用于流化床气化炉的排渣装置(2)，其特征在于，所述排渣装置(2)还包括返炉气体出口(e)，所述返炉气体出口(e)设置在冷却筒体(22)上。
10.一种用于流化床气化炉的排渣方法，其特征在于，所述排渣方法使用如权利要求1-9中任一项所述的用于流化床气化炉的排渣装置(2)。
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